UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW Gorrochotegui Rivas, Angel Antonio. Rosero Caicedo, Julian Andres. Naguanagua, 10 de Mayo de 2011
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UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de soldadura y sobre la microestructura en juntas
soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW
Gorrochotegui Rivas, Angel Antonio.
Rosero Caicedo, Julian Andres.
Naguanagua, 10 de Mayo de 2011
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de soldadura y sobre la microestructura en juntas
soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW
Trabajo especial de grado presentado ante la Ilustre Universidad de Carabobo para optar al título de Ingeniero Mecánico
Tutor académico: Prof. Ing. Carmelo Torres.
Autores:
Gorrochotegui Rivas, Angel Antonio.
Rosero Caicedo, Julian Andres.
Naguanagua, 10 de Mayo de 2011
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
CERTIFICADO DE APROBACIÓN Quienes suscriben, Miembros del Jurado designado por el Consejo de
Escuela de Ingeniería Mecánica para examinar la Tesis de Pregrado titulada
Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de
grietas en el cordón de soldadura y sobre la microestructura en juntas
soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de
GMAW, presentada por los bachilleres: Gorrochotegui R. Ángel A.,
Rosero C. Julian A., portadores de la Cédula de Identidad Nº: 17.789.432 y
15.607.817 respectivamente; hacemos constar que hemos revisado y
aprobado el mencionado trabajo.
_______________________
Prof. Carmelo Torres Presidente del jurado
_______________________ Prof. Juan C. Pereira Miembro del Jurado
________________________ Prof. Sandra Cabello Miembro del Jurado
En Naguanagua a los 10 días del mes de Mayo de 2011
xiii
DDeeddiiccaattoorriiaa
Dedico este logro a mi mamá bella Carmen Janet, mi papá Carlos
Mora, en palabras expresar el apoyo no puedo, solo decir los Amo
demasiado y de aquí para delante. Mi hermanita Gabriela, para ti, ahora
sigues tú.
A mi abuela Edelberta, viviste y luchaste siempre porque estuviéramos
bien, abuela lo logré. Bendición te amo mucho y recuerdo siempre.
Se lo dedico a Dios y San Miguel Arcángel, por dejarme estar aquí con
todos y disfrutar de la vida con mi familia y demás seres queridos, gracias por
dejarme vivir.
Mis tíos Víctor y Yirsa, mis segundos papás, los quiero mucho y esto
es para ustedes que me apoyaron y creyeron en mí.
A mi familia, Tío Adenis, Tío Antonio, Tío Cesar, Tía Belkys, mis
primos, saben que forman una armonía ideal, los quiero demasiado.
Para todas las personas que no sólo me apoyaron a mí, sino fueron
pilares de apoyo para mi mamá en toda esta carrera, Eleonora, Gleidy,
Bladimir, Barbara y Bladimir Jr, Elbita, Elvia, Athala, gracias por apoyar a mi
mamá en los momentos débiles y fuertes.
A Verónica Mata, se lo dedico con mucho amor y respeto, fuiste mi
compañera durante mucho tiempo, mi apoyo, mi aliento y guía, muy bien
sabes que no estaría aquí sin ti, este logro es también tuyo.
Angel Gorrochotegui xiv
Se lo dedico a mi padre Víctor Luis García, aunque no estés aquí, me
enseñaste que la vida hay que vivirla como si fuera el último día, pero
sanamente. Fuiste un buen ejemplo a seguir cuando más lo necesité, te
extraño, gracias por presentarte en mi vida. A usted Sra. Belkys, Nohelys
gracias.
Mi madre Carla Palencia, palabras para ti no hay, sólo afecto, amor
demasiado por estar conmigo cuando lo necesité, me cuidaste y guiaste, lo
que he logrado te lo agradezco.
A mi Compa Antonio, apoyo incondicional de ti y tu familia, a mamá
Nela, a mi herma, son excelentes conmigo y mi familia, bueno disfruten este
logro y meta alcanzada que llevan parte consigo.
A los muchachos, amigos desde mi infancia y compañeros en esta
evolución, José Tomas, Marvin, Tío Loro, Tío Alex, Michael, a Ramón,
gracias por ser tan buenos amigos de corazón.
Julian Rosero xv
DDeeddiiccaattoorriiaa
Me gustaría dedicar esta Tesis a toda mi familia.
Para mis padres José y Esperanza, por su comprensión y ayuda en
momentos malos y menos malos. Me han enseñado a encarar las
adversidades sin perder nunca la dignidad ni desfallecer en el intento. Me
han dado todo lo que soy como persona, mis valores, mis principios, mi
perseverancia y mi empeño, y todo ello con una gran dosis de amor y sin
pedir nunca nada a cambio.
Para mi Novia Vanessa, a ella especialmente, por su paciencia, por su
comprensión, por su empeño, por su fuerza, por su amor, por ser tal y como
es, porque la quiero. Es la persona que más directamente ha sufrido las
consecuencias del trabajo realizado. Realmente ella me llena por dentro para
conseguir un equilibrio que me permita dar el máximo de mí. Nunca le podré
estar suficientemente agradecido.
A la memoria de mis abuelos, porque se que siempre me están
acompañando y ayudando en todo momento.
ix
AAggrraaddeecciimmiieennttooss
A mi madre bella Carmen Janet, mi papá Carlos Mora por quererme
como lo hacen, brindarme apoyo y motivación cuando la necesité.
A la Universidad de Carabobo, por ser nuestra casa de estudio, que
aprecio y recordaré con todas las anécdotas.
A nuestro tutor Ing. Carmelo Torres, apoyo incondicional y amigo.
A las secretarias y amigas Gribel Abreu, Alicia, Xiomarita, María, que
me brindan su amistad y apoyo más de lo necesario.
A las Empresas METALMECÁNICA Y.A.R y A.R.J, por la colaboración
prestada y su apoyo incondicional en pro de nuestra tesis.
A los T.S.U René, el negro Néstor, Omar y Josmary, nos dieron
mucha ayuda en este logro alcanzado y a lo largo de la carrera.
A mi compañero de Tesis, paciencia, ganas de progresar, trabajador,
amigo…..son sus cualidades, mucho aprecio por él.
Mis amigas de Dirección Académica Zenaida, Sabhadai y Angélica,
mucha ayuda, mucho cariño me dieron, me escucharon y aconsejaron
cuando lo necesité, de verdad un abrazo.
Para Daliannis, amiga y protectora en mis inicios de mi carrera, me
supo llevar por el carril del medio.
A los muchachos y amigos a lo largo de la carrera en las rumbas,
trasnochos por estudiar y disfrutar más de lo común….Gilberto, Deiby,
Angel Gorrochotegui x
Habib, Alirio, Chorin, Xiolimar, Alexander, Leito, Juan Diego, Alfonso
Cutillo, mi pana Bernardo, Tito, Dayerlin, Omar, Daniel, Julio, Dayana,
Franklin López, Maria Espluga…..de verdad se me pasan muchos
pero gracias amigos fueron buenos, malos, excelente, un buen combo
para lograr todo esto.
Gracias a los momentos de disfrute que tuve en la Universidad,
Valencia y Maracay, sirvieron de gran ayuda para liberar tensiones y
encaminarme con buenos ánimos a mi meta.
xi
AAggrraaddeecciimmiieennttooss
Esta tesis de grado, si bien ha requerido de esfuerzo y mucha
dedicación por parte de los autores y su Tutor de tesis, no hubiese sido
posible su finalización sin la cooperación desinteresada de todas y cada una
de las personas que a continuación citaré y muchas de las cuales han sido
un soporte muy fuerte en momentos de angustia y desesperación.
Primero y antes que nada, dar gracias a Dios, por estar conmigo en
cada paso que doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi mente y
por haber puesto en mi camino a aquellas personas que han sido mi
soporte y compañía durante todo el periodo de estudio.
Agradecer hoy y siempre a mi familia porque se preocupan por mi
bienestar, por todo el apoyo incondicional y colaboración otorgada, y
está claro que si no fuese por el esfuerzo realizado por ellos, mis
estudios universitarios no hubiesen sido posibles.
A Vanessa, por ser la persona que ha compartido el mayor tiempo a
mi lado, porque en su compañía las cosas malas se convierten en
buenas, la tristeza se transforma en alegría y la soledad no existe.
A nuestro tutor Ingeniero Carmelo Torres, por su orientación y el
aporte de sus conocimientos.
A las Empresas METALMECÁNICA Y.A.R y A.R.J, por la colaboración
prestada y su apoyo incondicional en pro de nuestra tesis.
Julian Rosero xii
A la Universidad de Carabobo por ser nuestra casa de estudio.
A mi compañero de Tesis por todo el ánimo, toda la paciencia, por
confiar y creer en mí, y sobre todo por su valiosa amistad.
En general quisiera agradecer a todas y cada una de las personas que
han vivido conmigo la realización de esta tesis de grado, con sus altos
y bajos y que no necesito nombrar porque tanto ellas como yo
sabemos que desde los más profundo de mi corazón les agradezco el
haberme brindado todo el apoyo, colaboración, ánimo y sobre todo
cariño y amistad
xvii
RReessuummeenn
Siendo el proceso de soldadura metálica con arco eléctrico y gas
(GMAW) en aceros especiales un proceso común en la industria y a nivel
particular cuenta con poco información respecto a las condiciones aptas para
realizar estas soldaduras, donde no se consideran los factores y esfuerzos a
los cuales estarán sometidas las juntas soldadas, debido a esto se obtienen
microestructuras no ideales y juntas soldadas no acordes a las exigencias de
trabajo. Para solventar la problemática, se evalúa el precalentamiento como
solución, determinando la microestructura en juntas soldadas con acero
especial AISI 4140 y material de aporte E308-L, también evaluando las grietas
presentes en las juntas soldadas, caracterizando las juntas soldadas mediante
ensayos mecánicos obteniendo una comparación del efecto de la temperatura
de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de soldadura y
sobre la microestructura de juntas soldadas en este acero. En el manejo de
esta problemática se utilizaron los ensayos mecánicos de tracción, doblado,
observación microestructura y macroscopía para la caracterización del acero
así como de las juntas soldadas, variando en estas las temperaturas de
precalentamiento; el ensayo de Varestraint se utilizo para la comparación de
la sensibilidad al agrietamiento variando las temperaturas de
precalentamiento. Luego de efectuado los mencionados ensayos se llegó a la
conclusión de que las juntas soldadas a pesar de presentar agrietamiento
aplicándole temperaturas de precalentamiento al material de aporte, se logra
reducir la presencia de grietas; mejorando así las características del cordón de
soldadura, evidenciando macroscópicamente como microscópicamente una
estructura ideal para el material en el cordón de soldadura y zonas contiguas.
UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA COORDINACIÓN DE PROYECTOS DE GRADO
SINOPSIS DEL PROYECTO DE GRADO TÍTULO DEL TRABAJO: EFECTO DE LA TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO SOBRE LA FORMACIÓN DE GIRETAS EN EL CORDÓN DE SOLDADURA Y SOBRE LA MICROESTRUCTURA EN JUNTAS SOLDADAS DE ACERO AL MOLIBDENO AISI 4140, UTILIZANDO EL PROCESO DE GMAW FECHA DE INICIO DEL TRABAJO: 2-2009 FECHA DE EX. FINAL: 04-05-2011 FECHA DE ENTREGA DE EJEMPLARES DEFINITIVOS A DIRECCIÓN DE ESCUELA: 11-05-2011 SINOPSIS: SIENDO LA SOLDADURA GMAW UNO DE LOS PROCESOS MAS UTILIZADOS EN LA ACTUALIDAD PARA LA UNIÓN DE ACEROS Y DE LA MAYORÍA DE LOS METALES NO FERROSOS Y ALEACIONES, Y A SU VEZ CUENTA CON POCA INFORMACIÓN RESPECTO A LOS FACTORES QUE SE DEBEN DE TOMAR EN CUENTA A LA HORA DE REALIZAR LA UNIÓN DE JUNTAS, SURGE LA NECESIDAD DE EVALUAR LA TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO SOBRE LAS JUNTAS SOLDADAS Y SOBRE SU MICROESTRUCTURA, COMO UNA SOLUCIÓN EN PARTICULAR, UTILIZANDO COMO MATERIAL BASE UN ACERO AL MOLIBDENO AISI 4140 Y COMO MATERIAL DE APORTE VARILLA DE ACERO INOXIDABLE E308-L. MEDIANTE LA ELABORACIÓN DE ENSAYOS MECÁNICOS DESTRUCTIVOS Y NO DESTRUCTIVOS COMO TRACCIÓN, DOBLADO, VARESTRAINT, MICROSCOPÍA Y MACROSCOPÍA RESPECTIVAMENTE. TODO ESTO APLICADO A LA VARIACIÓN DE 3 NIVELES DE TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO, LLEGANDO A LA CONCLUSIÓN DE QUE APLICANDO DICHOS PRECALENTAMIENTOS SE LOGRA REDUCIR LA PRECENCIA DE GRIETAS EN EL CORDÓN DE SOLDADURA ASÍ COMO TAMBIÉN LA REDUCCIÓN DE POSIBLES ESFUERZOS RESIDUALES EN EL MATERIAL. CÉDULA DE IDENTIDAD ESTUDIANTES NOMBRE FIRMA 15.607.817 JULIAN ROSERO 17.789.432 ANGEL GORROCHOTEGUI FIRMA PROFESOR GUÍA: CARMELO TORRES JURADO: SANDRA CABELLO JURADO: JUAN PEREIRA
ÍÍnnddiiccee ggeenneerraall
Agradecimiento Dedicatoria
ix
xiii
Resumen Índice general
xvii
xix Índice de figuras xxii Índice de tablas xxvi Nomenclatura
xxviii
CAPÍTULO 1 Introducción
1
1.1 Introducción, 1 1.2 Situación problemática, 2 1.3 Objetivos, 3 1.3.1 Objetivo General, 3 1.3.2 Objetivos Específicos, 3 1.4 Justificación, 4 1.5 Limitaciones, 5 1.6 Alcance y/o delimitaciones, 6 1.7 Antecedentes, 6 CAPÍTULO 2 Marco Teórico 9 2.1 Aceros, 9 2.1.1 Concepto del Acero, 9 2.1.2 Microestructuras de los aceros, 10 2.1.3 Acero AISI-SAE 4140, 17
2.1.3.1 Efecto de los elementos de aleación, 17 2.1.3.2 Propiedades físicas, 18 2.1.3.3 Propiedades mecánicas, 18
Índice general
xx
2.1.3.4 Composición Química (colada) en % del peso, 19 2.1.4 Soldabilidad de los aceros, 19 2.1.4.1 Soldadura por arco eléctrico, 20 2.1.4.2 Elementos presentes en la soldadura por arco eléctrico, 21 2.1.5 Metalurgia de la soldadura, 23
2.1.5.1 La soldabilidad metalúrgica depende de dos factores, 23
2.1.6 Calidad de la soldadura, 24 2.1.7 Fundamentos y teoría de soldadura por arco eléctrico con gas inerte, proceso (GMAW / MIG), 26 2.1.7.1 Descripción general, 27 2.1.7.2 Clasificación AWS para los metales de aporte electrodos de baja aleación de acero para soldadura de arco protegida por gas,31 2.1.7.3 Clasificación AWS A5.18 para los metales de aporte electrodos de acero al carbono para soldadura de arco protegida por gas,32
2.1.7.4 Control de la porosidad, 33 2.1.7.5 Influencia del gas y el arco de la soldadura ,33 2.1.7.6 Equipo para la soldadura MIG generador de Soldadura, 35 2.1.7.7 Beneficios y Limitaciones del proceso MIG, 36 2.1.7.8 Técnica de soldadura MIG por corto circuito,37
2.2 Ensayos Mecánicos, 39 2.2.1 Ensayos Destructivos, 39 2.2.1.1 Ensayo de Tracción, 39 2.2.1.2 Ensayo de doblado,41 2.2.1.3 Ensayo de Varestraint, 42 2.2.2 Ensayos no destructivos, 42 2.2.2.1 Microscopia, 42 2.2.2.2 Macroscopia, 43
CAPÍTULO 3 Marco Metodológico 44 3.1 Nivel de la Investigación, 44 3.2 Diseño de la Investigación, 45 3.3 Población y Muestra,45 3.4 Tipo de Muestreo, 45 3.5 Técnicas e Instrumentos de recolección de datos, 46 3.6 Técnicas de Procesamiento y Análisis de datos, 46 3.7 Aspectos Administrativos, 46 3.8 Técnicas y Procedimientos para llevar a cabo la Investigación, 46 3.8.1 Diseño Experimental, 46 3.8.2 Materiales y Equipos a utilizar, 48
Índice general
xxi
3.8.3 Herramientas a utilizar, 48 3.8.4 Procedimiento Experimental, 51 3.8.5 Preparación de las Probetas, 53
3.8.6 Corte de piezas y mecanizado de las probetas, 53 3.8.7 Soldadura de las Parejas, 55 3.8.8 Selección de parámetros de soldadura, 57 3.9 Ensayos experimentales en las probetas soldadas, 58 3.9.1 Ensayo de Tracción, 58 3.9.2 Ensayo de Doblado, 60 3.9.3 Macroscopía, 62 3.9.4 Microscopía, 62 3.9.5 Ensayo de Varestraint, 63 3.9.5.1 Evaluación de las grietas, 67 CAPÍTULO 4 Análisis de Resultados 68 4.1 Resultados de los ensayos de Tracción, 68 4.2 Análisis del ensayo de Tracción, 71 4.3 Resultados del ensayo de Doblado, 73 4.4 Análisis del ensayo de Doblado, 78 4.5 Estudio de Macroscopía, 80 4.6 Análisis de Macroscopía, 81 4.7 Estudio de Microscopía, 82 4.8 Análisis del estudio de Microscopía, 86 4.9 Resultados del ensayo de Varestraint, 88 4.10 Pruebas realizadas a las probetas utilizando
precalentamiento, soldadura y doblado del espécimen, 91 4.11 Valores Nominales de Deformación, 93 4.12 Análisis del ensayo de Varestraint, 100
CAPITULO 5 Conclusiones y Recomendaciones 5.1 Conclusiones, 102 5.2 Recomendaciones,104
Referencias bibliográficas Anexos Certificado de Origen del Acero AISI 4140, 110
102
105
109
xxvi
ÍÍnnddiiccee ddee ttaabbllaass
1.1 Cantidad de probetas a utilizar por cada ensayo mecánico 6
2.1 Clasificación de los aceros Sistema SAE, AISI y UNS 16
2.2 Composición química en % del peso del AISI 4140 19
2.3 Rangos de corriente óptimos pata el cortocircuito con diferentes
diámetros de alambres
38
3.1 Composición química del material Base (%) 52
3.2 Propiedades mecánicas del acero AISI 4140 52
3.3 Composición química del material de Aporte (%) 53
3.4 Especificación del procedimiento de soldadura
3.5 Radios de curvatura del dispositivo de Varestraint
3.6 Temperaturas de precalentamiento recomendadas
4.1 Resultados de ensayo de tracción de probetas soldadas
4.2 Observaciones del ensayo de doblado del material base
4.3 Observaciones del ensayo de doblado de juntas soldadas con
precalentamiento a 200ºC
4.4 Observaciones del ensayo de doblado de juntas soldadas con
precalentamiento a 250ºC
4.5 Observaciones del ensayo de doblado de juntas soldadas con
precalentamiento a 300ºC
56
63
64
71
76
76/77
77
78
Índice de tablas
xxvii
4.6 Deformaciones ocurridas en cada una de las probetas de
acuerdo al radio de curvatura
4.7 Numero y tamaño de grietas con radios R1 y R2 con
precalentamiento a 200ºC
4.8 Numero y tamaño de grietas con radios R1 y R2 con
precalentamiento a 250ºC
4.9 Numero y tamaño de grietas con radios R1 y R2 con
precalentamiento a 300ºC
4.10 Variación en la longitud promedio de grietas para los
precalentamientos de 200ºC y 300ºC con radio de curvatura R1
4.11 Variación en la longitud promedio de grietas para los
precalentamientos de 200ºC y 300ºC con radio de curvatura R2
4.12 Variación en la longitud promedio de grietas para los
precalentamientos de 200ºC y 250ºC con radio de curvatura R1
4.13 Variación en la longitud promedio de grietas para los
precalentamientos de 200ºC y 250ºC con radio de curvatura R2
4.14 Variación en la longitud promedio de grietas para los
precalentamientos de 250ºC y 300ºC con radio de curvatura R1
4.15 Variación en la longitud promedio de grietas para los
precalentamientos de 250ºC y 300ºC con radio de curvatura R2
94
95
95
95
98
99
99
99
99
100
xxii
ÍÍnnddiiccee ddee ffiigguurraass
2.1 Diagrama Hierro-Carbono 10
2.2 Estructura de WIDMANSTATTEN observada en hierro meteorito 14
2.3 Diagrama de Hannemann 14
2.4 Diagrama de transformación Isotérmica del acero AISI 4140 15
2.5 Soldadura por arco eléctrico 21
2.6 Zonas afectadas por el calor en una unión soldada 24
2.7 Soldadura metálica con arco eléctrico y gas (GMAW) 27
2.8 Pistola para soldadura metálica con arco eléctrico y gas 28
2.9 Operación realizada mediante el proceso MIG 29
2.10 Técnicas de transferencia del metal hasta la soldadura fundida en
la soldadura MIG
30
2.11 Equipo para soldadura GMAW (MIG) 35
2.12 Representación de la transferencia en cortocircuito GMAW (MIG) 38
2.13 Diagrama de esfuerzo-deformación 41
3.1 Organigrama experimental
3.2 Microscopio Óptico
3.3 Campana de extracción para el ataque químico
3.4 Lijadora de banda
3.5 Banco de pulido para metalografía
47
49
49
50
50
Índice de Figuras
xxiii
3.6 Soluciones para ataque químico y pulido metalográfico 51
3.7.1 Distribución de probetas para el ensayo de tracción
3.7.2 Distribución de probetas para el ensayo de doblado y
microscopia
3.7.3 Distribución de probetas para el ensayo de Varestraint y
macroscopía
3.8 Diseño de la junta
3.9 Cupones de prueba para la seleccionar la intensidad de corriente
3.10 Precalentamiento de las probetas y medición de la temperatura
3.11 Soldadura de las probetas
54
54
55
55
57
58
58
3.12 Maquina de ensayo de Tracción 59
3.13 Probeta de tracción según norma ASTM E-8M
3.14 Equipo empleado para el ensayo de doblado
60
61
3.15 Probeta de doblado según norma ASTM E-190
3.16 Esquema de montaje de ensayo de Varestraint
4.1 Curva esfuerzo Vs deformación de tracción del material base
4.2 Curva esfuerzo Vs deformación de tracción de juntas soldadas
con precalentamiento a 200ºC
4.3 Curva esfuerzo Vs deformación de tracción de juntas soldadas
con precalentamiento a 250ºC
4.4 Curva esfuerzo Vs deformación de tracción de juntas soldadas
con precalentamiento a 300ºC
4.5 Diagrama de Esfuerzos máximo de probetas ensayadas
4.6 Curva esfuerzo Vs deformación de doblado del material base
4.7 Curva esfuerzo Vs deformación de doblado de juntas soldadas
con precalentamiento a 200ºC
4.8 Curva esfuerzo Vs deformación de doblado de juntas soldadas
con precalentamiento a 250ºC
4.9 Curva esfuerzo Vs deformación de tracción de juntas soldadas
con precalentamiento a 300ºC
61
64
69
69
70
70
71
74
74
75
75
Índice de Figuras
xxiv
4.10 Macroscopía de la probeta soldada con precalentamiento a
200ºC
4.11 Macroscopía de la probeta soldada con precalentamiento a
250ºC
4.12 Macroscopía de la probeta soldada con precalentamiento a
300ºC
4.13 Microestructura del material base con aumento de 100X
4.14 Microestructura del material base con aumento de 200X
4.15 Microestructuras de la probetas soldadas con precalentamiento
a 200ºC
4.16 Microestructuras de la probetas soldadas con precalentamiento
a 250ºC
4.17 Microestructuras de la probetas soldadas con precalentamiento
a 300ºC
4.18 Equipo de doblado Varestraint
4.19 Equipo de calentamiento OXICORTE
4.20 Lápices térmicos para la medición del precalentamiento
4.21 Equipo de soldadura Lincoln Electric
4.22 Dispositivo Varestraint con probeta fijada a un extremo
4.23 Precalentamiento de la probeta con Soplete OXICORTE
4.24 Medición de la temperatura de precalentamiento
4.25 Cordón de soldadura finalizado hasta el centro del radio de
curvatura
4.26 Doblado en el extremo libre de la probeta
4.27 Probetas dobladas enfriadas al aire libre
4.28 Deformación por flexión en la probeta
4.29 Micrografía en la superficie del cordón en la muestra Nº1 con
precalentamiento a 200ºC a 200X
4.30 Micrografía en la superficie del cordón en la muestra Nº2 con
precalentamiento a 200ºC a 400X
80
80
81
82
82
83
84
85
89
89
90
90
91
91
92
92
92
93
93
94
95
Índice de Figuras
xxv
4.31 Curva de longitud de grietas promedio Vs deformación para el
metal base con precalentamiento a 200ºC
4.32 Curva de longitud de grietas promedio Vs deformación para el
metal base con precalentamiento a 250ºC
4.33 Curva de longitud de grietas promedio Vs deformación para el
metal base con precalentamiento a 300ºC
4.34 Curva comparativa longitud de grietas promedio Vs deformación
para el metal base con precalentamientos a 200ºC, 250ºC y
300ºC
96
97
97
98
CCAAPPÍÍTTUULLOO 11
IInnttrroodduucccciióónn
1.1 Introducción
Resulta sumamente interesante predecir la forma de los gradientes de
temperatura que genera en el metal base (MB) esta fuente de calor, como es
la soldadura, para entender fenómenos tales como: el ancho y la profundidad
de penetración, los cambios microestructurales que se producen en la zona
afectada por calor del metal base, los esfuerzos residuales que se generan,
así como la realización de predicciones sobre posibles problemas de
fisuración de la junta, todos ellos en función de un determinado calor aportado
ó “heat input”.
El presente trabajo se realizó con el análisis de la soldabilidad de un
acero al molibdeno AISI 4140 (American Iron and Steel Institute o Instituto
Americano de Hierro y Acero), correspondiente a la norma AISI, soldado por
arco eléctrico mediante el proceso de soldadura manual (GMAW). A tal fin se
llevaron a cabo ensayos mecánicos de tracción, doblado, varestraint así
como macrografías y micrografías de las distintas regiones de la junta
soldada, análisis químicos. Previo a ello se determinó la temperatura de
precalentamiento alcanzadas en la junta soldada afectada por el calor, en
función de las variables operacionales, que pueden ser manipuladas para
prevenir la fisuración en frío y a la vez evitar el deterioro de las propiedades
2 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW
de tenacidad mediante métodos analíticos y experimentalmente utilizando
ensayos de fisuración en frío.
1.2 Situación problemática
Desde el punto de vista de soladura los procesos han experimentado
mejoras en relación al control de nivel de hidrogeno difusible, mayor
productividad y mínimos tiempos de trabajos posteriores.
No obstante, la abundante información disponible sobre la influencia en
la microestructura y propiedades tanto en el metal de soldadura como sobre la
zona afectada térmicamente (ZAC), de proceso y consumibles GMAW que por
definición es un proceso de soldadura por arco que produce la fusión de los
metales por calentamiento con un arco entre un electrodo de alimentación
continua de metal de aporte y trabajo; en una amplia variedad de aceros TM
(muy bajo contenido en carbono) y ARBA (alta resistencia y baja aleación),
aun quedan importantes interrogantes. En particular para aceros de alta
resistencia respecto de la aplicación de las variables del procedimiento de
soldadura. La utilización de precalentamiento, la temperatura entre pasada
debe ser cuidadosamente definida y controlada junto con la selección de
alambres tubulares con bajo contenido de hidrogeno a fin de minimizar riesgos
de fisuras en frio tanto en la ZAC como en el metal de soldadura. En tal
sentido, para los aceros de alta resistencia la guía que establecen los códigos
o normas para soldadura estructural son bastante limitadas, lo cual exige para
muchos casos la realización de un análisis de soldabilidad para la correcta
definición del procedimiento de soldadura.
La temperatura de precalentamiento puede variar constantemente
dependiendo del tipo de aplicación que se le vaya a dar al acero y sus
características previas. Se busca en este proyecto de grado diseñar ensayos
utilizando el proceso de soldadura de arco por tope eléctrico GMAW con gas
Capítulo 1. Introducción 3
de protección Argón comercial bajo la preponderancia de la variable de
temperatura de precalentamiento, se analizaran las microestructuras
obtenidas para luego establecer las conclusiones y lineamientos pertinentes
del material en estudio.
1.3 Objetivos
11..33..11 OObbjjeettiivvoo GGeenneerraall
Analizar el efecto que tiene la temperatura de precalentamiento sobre
la formación de grietas en el cordón de soldadura y sobre la microestructura
en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140 por el proceso de
La evaluación de las grietas se enfocó en la zona más esforzada
después de ser aplicado el ensayo de Varestraint y una vez localizada esa
zona, se procedió a cortar la probeta de forma lineal, con una cizalla de
palanca manual, a una dimensión de 1 plg2, la cual fue la más apropiada para
el manejo en la evaluación del cordón de soldadura y de la probeta. Esta
evaluación se aplico en dos pasos: la primera una evaluación de la
micrografía de manera microscópica, en el que se reparó la superficie soldada
utilizando la técnica de pulido metalográfico, donde inicialmente se fresó el
espesor del cordón de soldadura, con ayuda de una fresadora, a velocidad de
giro constante y avance de penetración controlado, hasta que dicho cordón
quedó aproximadamente al mismo nivel del metal base, luego se lijó la
superficie rebajada con lija de granos numero 120, 240, 320, 400, 600 y 1200,
con el fin de obtener una superficie del cordón pulida, tipo especular y libre de
huellas, facilitando así la visualización y evaluación de grietas, en la que se
obtuvo la longitud de las microgrietas con una escala.
La segunda parte de la evaluación, correspondió a una visualización
microscópica de la microestructura del cordón de soldadura en la probeta,
donde se realizó un ataque químico, al que se le aplicó un reactivo sobre la
superficie soldada, que luego se dejó un tiempo expuesto para la penetración
e impregnación del reactivo sobre el cordón y enseguida se removió el mismo
con abundante agua y Etanol, que inmediatamente se seco con ayuda de un
secador de aire eléctrico, cuyo tiempo de secado estuvo sujeto a la
eliminación completa de la humedad en la zona de estudio. Luego se
inspeccionó las posibles indicaciones lineales, referidas a las grietas, por
medio del microscopio óptico, con un aumento del lente, el cual vario de 100X
hasta 1000X, lo que permitió observar la disposición de las grietas.
CCAAPPÍÍTTUULLOO 44
RReessuullttaaddooss yy AAnnáálliissiiss
4.1 Resultados de los Ensayos de Tracción:
Una vez realizados los ensayos de tracción se obtuvieron las curvas
de Esfuerzo vs. Deformación para cada una de las probetas ensayadas, en
donde se expresan las propiedades mecánicas a estudiar, como lo son: el
esfuerzo máximo y la deformación elástica. Luego se procedió a realizar la
curva de caracterización del material sin soldar ni precalentar (material base),
y por último la curva para cada temperatura de precalentamiento del material
en estudio. Una vez extraídos todos los datos de las gráficas, se procedió a
tabular los resultados obtenidos (Tabla 4.1).
En la figura 4.1 se muestra la curva Esfuerzo vs. Deformación para el
material base AISI 4140, la cual se tomó como punto de referencia para la
elaboración de los análisis pertinentes en la influencia de cada uno de los
tipos de precalentamiento respectivos.
En las figura 4.2 se muestra la curva Esfuerzo vs. Deformación para
juntas soldadas con precalentamiento de 200°C, en la figura 4.3 se muestra
la curva Esfuerzo vs. Deformación para juntas soldadas con
precalentamiento de 250°C y en la figura 4.4 se muestra la curva Esfuerzo
69 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW. vs. Deformación para juntas soldadas con precalentamiento de 300°C
respectivamente.
Figura 4.1. Curva Esfuerzo vs. Deformación para material base sin precalentamiento y soldadura.
Figura 4.2. Curva Esfuerzo vs. Deformación para junta soldada con
precalentamiento a 200°C.
0
100
200
300
400
500
600
700
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025
Esfu
erz
o (
MP
a)
Deformación ε
AISI 4140
0
100
200
300
400
500
600
700
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025
Esfu
erz
o (
MP
a)
Deformación ε
AISI 4140
Curva Esfuerzo vs Deformación para el material base AISI 4140
Curva Esfuerzo vs Deformación para junta soldada con precalentamiento de 200°C al AISI 4140
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 70
Figura 4.3. Curva Esfuerzo vs. Deformación para junta soldada con precalentamiento a
250°C.
Figura 4.4. Curva Esfuerzo vs. Deformación para junta soldada con precalentamiento a
300°C.
0
100
200
300
400
500
600
700
0 0,01 0,02
Esfu
erz
o (
MP
a)
Deformación ε
AISI 4140
0
100
200
300
400
500
600
700
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025
Esfu
erz
o (
MP
a)
Deformación ε
AISI 4140
Curva Esfuerzo vs Deformación para junta soldada con precalentamiento de 250°C.
Curva Esfuerzo vs Deformación para junta soldada con precalentamiento de 300°C
71 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW.
Figura 4.5. Esfuerzo máximo vs. Material base y juntas soldadas con precalentamiento a 200°C, 250°C y 300°C respectivamente.
Tabla 4.1 Resultados del ensayo de tracción de probetas soldadas por GMAW según modo
de ensayo
Modo de Ensayo Esfuerzo de Máximo
(MPa) Ductilidad
Material Base sin precalentar
678.568 N/A
Precalentamiento a 200°C 664.012 N/A
Precalentamiento a 250°C 656.875 N/A
Precalentamiento a 300°C 647.792 N/A
Nota: La Ductilidad no aplica para este tipo de material puesto que resulto ser frágil ocurriendo la fractura al momento de la tensión sin reducción de área.
4.2 Análisis del Ensayo de Tracción
Se observa en la figura 4.1 que el comportamiento que describe la
curva es indicativo y característico de un material frágil, una de las razones
es que no se atribuye exclusivamente a dúctiles, es decir, sólo posee
deformación elástica, no posee elongación de material por ende no aplica
formación de cuello en la zona calibrada, ocurriendo una fractura frágil en la
630
640
650
660
670
680
690
Esfu
erz
o M
áxim
o (
MP
a)
Modo de Ensayo
Esfuerzo Máximo
Material Base Precalentado a 200 °C
Precalentado a 250 °C Precalentamiento a 300°C
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 72
ZAC, característica de un color gris claro. El esfuerzo de ruptura tiene un
valor de 678.568 MPa se encuentra dentro de los valores estándares del
material AISI 4140. La caracterización del material base hace constar de que
el AISI 4140 es un material frágil, sin plasticidad y poca resilencia.
Se observa en la figura 4.2 que el AISI 4140 precalentado a 200 °C
no posee plasticidad, la fractura del material es de color gris claro, indicativo
de un material frágil en la ZAC. Debido al precalentamiento se nota que el
material se endureció y el esfuerzo de ruptura se ve afectado y disminuye
levemente su valor a 664.012 MPa. Detalla una curva con pendiente
inclinada propia de un elevado modulo de elasticidad (E) que es proporcional
a la dureza del material.
Se muestra en la figura 4.3 que al comportamiento de las juntas
soldadas con precalentamiento a 250°C disminuye su valor de esfuerzo
ligeramente en comparación a las juntas soldadas con precalentamiento a
200°C hasta obtener un esfuerzo de 656.875 MPa, indicativo que la dureza
del material es proporcional con el aumento de temperatura de
precalentamiento. La curva describe la misma tendencia anterior
característica de un material frágil, solo que con un ligero aumento de su
deformación.
Se observa en la figura 4.4 el comportamiento que al igual que el
anterior obedece a un material frágil netamente elástico, pero en las probetas
precalentadas a 300°C se consta con mayor evidencia la poca resistencia a
la tensión o tracción que posee el material al aplicar un precalentamiento de
300°C con un esfuerzo de ruptura de 647.792 MPa y aumento de la
resilencia. La curva define una pendiente con menor inclinación con respecto
a los ensayos con probetas precalentadas a 200°C y 250°C, haciendo
énfasis en que al poseer una menor pendiente de curva, se ve directamente
influenciado en una disminución en el Modulo de Elasticidad (E), que por
73 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW. consiguiente el material tendrá una menor rigidez y/o dureza pero mayor
elasticidad.
Se hace evidencia en la figura 4.2 que se obtiene un mayor esfuerzo
de ruptura en las probetas precalentadas a 200°C en comparación con el
material base sin precalentamiento y las juntas soldadas a 250°C y 300°C.
Las probetas precalentadas a 200°C poseen mayor ductilidad pero
tienen menor resilencia que las probetas a ensayas a 250°C y 300°C. Ambos
lineamientos de ensayos no aportan información sobre la deformación
plástica ya que las características del material son propias de un material
frágil y al aplicar un precalentamiento se modifican sus propiedades
mecánicas y microconstituyentes de tal forma que se endurece de la misma
forma que se vuelve frágil. Las deformaciones son de un valor bajo y son
distribuidas en todo el material, comportamiento fundamental de una
deformación netamente elástica.
4.3 Resultados del Ensayo de Doblado.
Se presentan las figuras 4.6, 4.7, 4.8 y 4.9 donde se muestran las
curvas de Esfuerzo vs. Deformación para las probetas ensayadas de la
siguiente forma: Material Base sin precalentamiento y sin junta soldada,
material base con junta soldada con precalentamiento de 200ºC, material
base con junta soldada con precalentamiento de 250ºC y material base con
junta soldada con precalentamiento a 300ºC respectivamente. Se construyo
la curva Esfuerzo vs. Deformación del material base sin precalentamiento y
sin junta soldada como un promedio de las probetas ensayadas para esta
condición; de igual forma se conforman las curvas para las juntas soldadas
con precalentamiento a 200°C, 250ºC y 300°C respectivamente.
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 74
Figura 4.6 Curva de Esfuerzo vs. Deformación para material base sin precalentamiento ni junta soldada.
Figura 4.7 Curva de Esfuerzo vs. Deformación para juntas soldadas con precalentamiento a
200ºC.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 0,005 0,01 0,015 0,02
Esfu
erz
o (
MP
a)
Deformación
Esfuerzo Vs DeformaciónMaterial Base
Curva Característica
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 0,005 0,01 0,015 0,02
Esfu
erz
o (
MP
a)
Deformación
Esfuerzo Vs Deformación Precalentamiento a 200ºC
Curva Característica
75 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW.
Figura 4.8 Curva de Esfuerzo vs. Deformación para juntas soldadas con precalentamiento a
250ºC.
Figura 4.9 Curva de Esfuerzo vs. Deformación para juntas soldadas con precalentamiento a
300ºC.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 0,005 0,01 0,015 0,02
Esfu
erz
o (
MP
a)
Deformación
Esfuerzo Vs Deformación Precalentamiento a 250ºC
Curva Característica
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 0,005 0,01 0,015 0,02
Esfu
erz
o (
MP
a)
Deformación
Esfuerzo Vs Deformación Precalentamiento a 300ºC
Curva Característica
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 76
A continuación se presentan las tablas 4.2; 4.3; 4.4 y 4.5 donde se
muestran imágenes de las probetas a las cuales se les realizaron los
ensayos de doblado.
Tabla 4.2 Observaciones del ensayo de doblado para probetas del material base sin soldadura ni precalentamiento
Observaciones de probetas del material base
Imágenes de las probetas
Ensayadas
P1 sin fractura visible.
P2 sin fractura visible.
P3 sin fractura visible.
Tabla 4.3 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas con precalentamiento a 200ºC.
Observaciones de probetas soldadas con precalentamiento a 200ºC
Imágenes de las probetas
ensayadas
P1 Cordón de soldadura Centrado,
Con agrietamiento visible entre la ZAC y el cordón de soldadura.
77 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW.
P2 Cordón de soldadura centrado, sin agrietamiento visible
P3 Cordón de soldadura Centrado, Sin agrietamiento visible.
Tabla 4.4 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas con precalentamiento a 250ºC.
Observaciones de probetas soldadas con precalentamiento a 200ºC
Imágenes de las probetas
ensayadas
P1 Cordón de soldadura Centrado,
Sin agrietamiento visible.
P2 Cordón de soldadura centrado, sin agrietamiento visible
P3 Cordón de soldadura Centrado, Sin agrietamiento visible.
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 78
Tabla 4.5 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas con precalentamiento a 300ºC.
Observaciones de probetas soldadas con precalentamiento a 300ºC
Imágenes de las probetas
Ensayadas
P1 Cordón de soldadura Centrado,
Sin agrietamiento visible.
P2 Cordón de soldadura centrado, sin agrietamiento visible
P3 Cordón de soldadura Centrado, Sin agrietamiento visible.
4.4 Análisis del Ensayo de Doblado
Se observa en la tabla 4.2 para las probetas ensayadas sin soldadura
ni precalentamiento (material base) que muestran buen resultado, ya que no
existe fractura y se observa una buena ductilidad del material, obteniendo un
valor de esfuerzo máximo de 1220,33 MPa.
Para las probetas ensayadas mediante el precalentamiento a 200ºC,
se muestra un ligero agrietamiento en una de las probetas entre el cordón de
soldadura y la ZAC (véase Tabla 4.3), que se ocasionó por efecto del desvío
del punzón con el que se realizó el ensayo. Estas probetas ensayadas
alcanzaron un valor de esfuerzo máximo de 1157,83MPa. Se puede decir
que las muestras poseen buena ductilidad a pesar del agrietamiento
presente en una de las probetas.
79 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW.
Las juntas soldadas con precalentamiento a 250ºC, presentaron
buenos resultados (ver Tabla 4.4), no se observan grietas en el cordón de
soldadura presentando buena ductilidad, alcanzando un valor de esfuerzo
máximo de 1183,66MPa.
Las juntas soldadas mediante el precalentamiento a 300ºC,
presentaron buenos resultados (ver Tabla 4.5) al igual que el anterior, no se
observan grietas en el cordón de soldadura de las probetas ensayadas y
presentan buena ductilidad, alcanzando un valor de esfuerzo máximo de
1201,16MPa, sobrepasando al esfuerzo máximo de las probetas soldadas
con precalentamiento a 200ºC en un 3,61% y en un 1,46% a las probetas
precalentadas a 250ºC.
Según los resultados obtenidos se observa que los valores de
esfuerzo máximo se alcanzan para las juntas soldadas con precalentamiento
a 300ºC, siguiendo las juntas soldadas con precalentamiento a 250ºC y por
último las precalentadas a 200ºC, aunque estas últimas pueden presentar
agrietamiento en la zona entre la soldadura y la zona afectada por el cordón
debido a que a bajos precalentamientos el tamaño del grano es pequeño.
Debido a los resultados obtenidos, se puede inferir que a medida que
se aumentan los valores de temperatura de precalentamiento, aumenta el
valor de resistencia a la compresión y ductilidad de la junta soldada. Esto se
debe a que los granos grandes producen baja dureza, y los granos pequeños
proporcionan mayor dureza a un metal. Recordemos que la dureza es
directamente proporcional al esfuerzo último, e inversamente proporcional a
la ductilidad. Por tanto, la zona con granos grandes tendrá poca resistencia a
los esfuerzos de tensión y elevada ductilidad, mientras que la zona con
granos pequeños tendrá elevada resistencia a los esfuerzos de tensión, y al
mismo tiempo elevada fragilidad.
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 80
El AISI 4140 por precalentarse a baja temperatura, se deforma
elásticamente hasta un punto anterior a la fractura (clivaje). (Groover y
Grossman, 2007)
4.5 Estudio de Macroscopía
Para el ensayo de macroscopía se pueden observar las probetas, las
cuales fueron sometidas a un ataque químico, el cual consistió en atacar por
5 minutos con Nital al 2% y luego 1 segundo con Acido Clorhídrico al 50%
para así poder observar las penetraciones de los cordones de soldadura en
las probetas.
Figura 4.10 Macroscopía de la probeta soldada con precalentamiento de 200ºC.
OObbsseerrvvaacciioonneess::
Existe buena penetración del material de aporte, el cordón es uniforme
y no presenta grietas a lo largo del mismo, carece de óxido superficial,
presenta una grieta ubicada en la parte inferior izquierda de la soldadura.
Figura 4.11 Macroscopía de la probeta soldada con precalentamiento de 250ºC.
81 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW. OObbsseerrvvaacciioonneess::
Esta muestra presenta una adecuada penetración del material de
aporte, carece de oxido superficial, el cordón se observa uniforme, presenta
una porosidad en la parte media de la soldadura. Cordón delgado.
Figura 4.12 Macroscopía de la probeta soldada con precalentamiento de 300ºC.
OObbsseerrvvaacciioonneess::
Esta muestra presenta una excelente penetración del material de
aporte, carece de oxido superficial, el cordón se observa uniforme; presenta
una porosidad en la parte superior media de la soldadura. Cordón ubicado en
su centro.
4.6 Análisis de Macroscopía.
Con dicho análisis macroscópico no se hace notable entre las
probetas ensayadas diferencias a gran escala en el cordón de la soldadura,
puesto que hubo buena penetración del material de aporte y uniformidad del
cordón de soldadura, quedando este bien distribuido sobre el material base,
debido a que los parámetros de soldadura se encuentran bien definidos lo
cual permite un mayor control al momento de realizar el cordón de soldadura.
La grieta observada en la probeta con precalentamiento a 200°C, es
producto del enfriamiento paulatino del cordón de soldadura hasta la
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 82
Martensita Revenida
temperatura ambiente y la baja ductilidad que se genera en la junta soldada
en comparación con el precalentamiento a 250ºC y 300°C. Las porosidades
observadas en las juntas precalentadas a 250ºC y 300ºC son producto de la
contaminación de la superficie del metal base por óxidos al momento de
Figura 4.13 Microestructura del material base con aumento a 100X.
Figura 4.14 Microestructura del material base con aumento a 200X.
200X
200X
100µm
50µm
Carburos sin disolver
83 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW. OObbsseerrvvaacciioonneess
En las figuras 4.13 y 4.14, se observan las probetas ensayadas del
material base sin soldadura ni precalentamiento, donde se evidencia
únicamente la presencia de una microestructura Martensita Revenida con
poca definición los bordes de grano son poco visibles y algunos carburos sin
disolver (zonas obscuras), debido al origen del material que viene de un
tratamiento térmico de Temple y Revenido “Bonificado”, en la superficie
pocas zonas mantienen la forma entera del grano poligonal.
PPrreeccaalleennttaammiieennttoo ddee 220000ººCC
Figura 4.15. Microestructura de la probeta soldada con precalentamiento de 200ºC.
MB
ZA
CS
ZA
MB
50µm 50µm
100µm
50µm
200X
Ferrita
Perlita
Carburos gruesos
Martensita Martensita revenida
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 84
OObbsseerrvvaacciioonneess::
En el cordón de soldadura (CS) se observa microestructura de Ferrita
(con tonalidad clara) con incrustaciones de Perlita (obscura) característica de
un acero inoxidable (material de aporte), con granos de mediano tamaño y
bien definidos por su borde. En la ZAC se observa la formación de la
microestructura Martensita con mayor definición y carburos gruesos (zonas
oscuras) en baja cantidad; como la temperatura de precalentamiento fue baja
y enfriamiento lento se origina esta microestructura. En el metal base se
sigue apreciando sólo la microestructura de Martensita Revenida debido a
que no hubo cambio de fase, aunque no se alcanzó la temperatura de
tratamiento térmico su microestructura se nota con mayor definición.
PPrreeccaalleennttaammiieennttoo aa 225500ººCC
Figura 4.16. Microestructura de la probeta soldada con precalentamiento de 250ºC.
MB
ZA
CS
ZA
MB
100µm
25µm
100µm
100µm
Ferrita
Perlita
Carburos gruesos
Martensita Martensita revenida
85 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW. OObbsseerrvvaacciioonneess::
En el CS se observa la microestructura de Ferrita (con tonalidad clara)
con algunas incrustaciones de Perlita (obscura), característica del acero
inoxidable, los granos aumentan de tamaño en comparación al
precalentamiento anterior, mejor definidos en su borde. En la ZAC se
observa la formación de Martensita y carburos gruesos debido al aumento
del precalentamiento. En el metal base se aprecia solo la microestructura de
Martensita Revenida con buena definición y algunos carburos (zonas
obscuras), de igual manera no sé alcanzo la temperatura de tratamiento
térmico por lo que su microestructura no se altera en mayor magnitud.
PPrreeccaalleennttaammiieennttoo aa 330000ººCC
Figura 4.17. Microestructura de la probeta soldada con precalentamiento de 300ºC.
MB
ZA
CS
ZA
MB
100µm 100µm
100µm
50µm
200X
Ferrita
Perlita
Martensita revenida
Carburos gruesos
Martensita
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 86
OObbsseerrvvaacciioonneess
Al igual que en las probetas anteriores se observa en el CS una
microestructura de Ferrita (tonalidad clara) con incrustaciones de Perlita
(0bscura), pero con un tamaño de grano más amplio y menor cantidad de
incrustaciones de perlita. Se puede apreciar claramente en la ZAC por el
calor la presencia de la microestructura de Martensita y carburos gruesos
aumentando su proporción en comparación con el precalentamiento a 250°C.
En el metal base se observa Martensita Revenida con mayor nitidez y
algunos carburos sin disolver (zona obscura), comportamiento descrito por el
aumento del precalentamiento y de esta forma acercándose a las
temperaturas de tratamiento térmico de este acero.
4.8 Análisis de Microscopia
Se indica en las figuras 4.13 y 4.14 la caracterización microestructural
del material base, posee una composición netamente compuesta con
microestructuras de Martensita Revenida y algunos carburos que no fueron
disueltos, debido a su tratamiento de bonificado, pocamente definido su
grano poligonal en toda su superficie pero característico de los aceros con
0.4% C, sin presencia de porosidades o indicativo de grietas.
En la figura 4.15 se muestra en el cordón de soldadura una buena
definición del grano de Ferrita con pocas incrustaciones de perlita en
comparación con la proporción de Ferrita, comportamiento descrito debido al
material de aporte, un acero inoxidable E308-L ideal para soldaduras GMAW
o TIG con gas de protección argón. Se observa en la ZAC la aparición de la
microestructura Martensita, característica que le aporta fragilidad al material
reduciendo su dureza y resistencia pero aumentando su tenacidad y
ductilidad, debido a su ocurrencia hace más difícil que las grietas se
propaguen una vez formadas. Las incrustaciones de carburos gruesos son
87 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW. producto de la afinidad del sulfuro con el manganeso para formar
precipitaciones con precalentamientos del material actuando de manera de
control de porosidades al no permitir que se desprendan gases cuando se
endurece el material y disminuyendo la sensibilidad al agrietamiento con el
aumento del precalentamiento. En el material base se continúa obteniendo
microestructura Martensita Revenida pero con mayor nitidez en comparación
a la caracterización del material, debido a que los precalentamientos son
bajos y no alcanzan a producir cambio de fase en la microestructura.
En la figura 4.16 se observa buena definición del grano de Ferrita con
pocas incrustaciones de perlita en el cordón de soldadura, su tamaño
aumenta un poco. Se observa de igual manera en la ZAC la aparición de la
microestructura Martensita la cual le aporta fragilidad al material reduciendo
su dureza y existencia de carburos gruesos. En el material base se sigue
observando la microestructura Martensita Revenida con algunos carburos sin
disolver (zona obscura) adquiriendo mejor definición.
En la figura 4.17 se obtiene una situación parecida a la anterior
expuesta, ya que los granos de ferrita en el cordón de soldadura se
encuentran mejor definidos y con mayor tamaño respecto a los dos
precalentamientos anteriores, debido al aumento del precalentamiento estos
tienden a expandir su tamaño. En la ZAC la presencia de Martensita se ve
reducida, indicativo de que el material está sufriendo un cambio de fase en
esa zona, así mismo se infiere un aumento de su ductilidad y reducción en la
fragilidad por la poca presencia de este microestructura y aumento de la
presencia de carburos gruesos. En el metal base se continúa presentando la
microestructura de Martensita Revenida con mayor uniformidad en su sentido
de orientación en comparación con los precalentamientos anteriores.
Se infiere que a medida que se va aumentando la temperatura de
precalentamiento se disminuye la dureza pero mejora la tenacidad del
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 88
material en la ZAC, el cordón de soldadura tiende a expandir el tamaño del
grano microestructural y si se logran alcanzar temperatura de tratamiento
térmico para el AISI 4140 la composición de su microestructura cambiaria en
el metal base, de caso contrario se mantendrá la proporción en la formación
de microestructuras uniformes con el aumento de temperatura.
4.9 Resultados del Ensayo de Varestraint
El procedimiento realizado en el ensayo estuvo referido a las variables
involucradas en la investigación, mostrada en la figura 3.15 del capítulo 3,
como lo son: la intensidad de corriente generada por el equipo de soldadura,
la temperatura de precalentamiento cedida por un soplete con llama a gas, la
variación de los anillos de curvatura correspondiente al equipo de Varestraint
y el material de aporte utilizado en la formación del cordón de soldadura
sobre la superficie de la probeta.
Esto permitió la inspección de cada variable y cada probeta ensayada
y a su vez proporciono un control en la ejecución del ensayo (dispositivo con
probeta y anillo de doblado, precalentamiento, medición de temperatura,
soldadura y doblado), pero antes fue necesario conocer las características de
los equipos a utilizar en el ensayo, las cuales son:
Equipo de Doblado
Dispositivo de doblado Varestraint, el cual consta de una estructura de
acero, cuatro anillos de acero de diámetros variables unidos a una base de
madera, que acopla a la estructura de acero y un perno M10 sujetador de
probeta. (Dispositivo diseñado y construido por el Ing. Oswaldo Urbano, en
base a los estudios de Savage y Luding).
89 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW.
Figura 4.18. Equipo de Doblado Varestraint.
Equipo de Calentamiento
Soplete con llama a gas, OXICORTE, cuyos elementos son: tanque
cilíndrico de Oxígeno, tanque cilíndrico de Gas, regulador de Oxígeno y gas,
mangueras, soplete de cobre con boquilla, llave y encendedor de chispa para
la llama. La presión de trabajo del Oxígeno fue de 40psi.
Figura 4.19. Equipo de Calentamiento OXICORTE.
Medición de temperatura
Esta medición se realizó sobre la superficie de la probeta, luego de
aplicar el calentamiento por llama antes de la soldadura. El instrumento
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 90
utilizado fueron lápices térmicos (TEMPILSTIK) de 101ºC, 184ºC y 215°C
cuya medición se efectúa aplicando sobre la superficie a tratar, y al alcanzar
la temperatura indicada una marca liquida aparece. A estas mediciones se le
suma la temperatura agregada por el electrodo al momento de soldar la
junta, esta temperatura por cupones de prueba se encuentra en un rango de
70 – 80 °C.
Figura 4.20. Lápices Térmicos para la medición de Temperatura de precalentamiento
Máquina de Soldar
Equipo de soldadura Lincoln Electric Precisión MIG 225 por arco
metálico con protección gaseosa GMAW. Control de intensidad de corriente
manual que permitió seleccionar el calor exacto para cada soldadura.
Figura 4.21. Máquina de Soldar Lincoln Electric.
91 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW. 4.10 Pruebas realizadas a las probetas utilizando precalentamiento,
soldadura y doblado del espécimen.
A continuación se muestran una serie de imágenes correspondientes
al procedimiento seguido paso a paso, en la realización del ensayo de
doblado Varestraint con precalentamiento.
Figura 4.22. Dispositivo Varestraint con probeta fijada a un extremo.
Figura 4.23. Precalentamiento de la probeta con Soplete OXICORTE.
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 92
Figura 4.24. Medición de la temperatura de precalentamiento.
Figura 4.25. Cordón de soldadura finalizado hasta el centro del radio de curvatura.
Figura 4.26. Doblado en el extremo libre de la probeta.
93 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW.
Figura 4.27. Probetas dobladas enfriadas al aire libre.
4.11 Valores nominales de deformación
La deformación ocurrida en la superficie frontal de la probeta (figura
4.26), fue provocada por el anillo de curvatura del dispositivo de doblado
Varestraint, al momento de ejercerle la fuerza de flexión en su extremo libre.
Por ello se calculo los valores de deformaciones (ver tabla 4.6) que
permitieron junto con las variables: intensidad de corriente, temperatura de
precalentamiento y radio de dobles, determinar el comportamiento de las
grietas a partir de una curva, cuya función estuvo dada por:
Figura 4.28. Deformación por flexión en la probeta.
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 94
A partir de la ecuación 3.1 del capítulo 3, se pudo determinar las
deformaciones ocurridas en cada una de las probetas (ver tabla 4.6), que
fueron sometidas a la curvatura variable de los anillos del dispositivo de
doblado, aplicándole la fuerza. Es de hacer notar, que a cada radio de
curvatura se le realizo 4 probetas de ensayo por cada temperatura de
precalentamiento, por lo que R1 y R2 en conjunto aportaron 24 probetas
deformadas. Utilizando la ecuación 3.1 se obtuvo:
Tabla 4.6. Deformaciones ocurridas en cada una de las probetas de acuerdo al radio de curvatura.
Posición i 1 2
Radio Ri (mm) 40 32
Deformación e (%) 3.97 4.96
Se tomó una muestra arbitraria como forma de mostrar los cálculos
(ver figura 4.29 y 4.30), la muestra es una probeta ensaya con
precalentamiento a 200°C con un radio de curvatura R1 = 40mm, cuyas
grietas fueron examinadas en un microscopio de barrido y cuantificadas en
una cantidad de 5 grietas en su superficie con un valor de longitud que se
muestra a continuación:
Figura 4.29. Micrografía en la superficie del cordón en la muestra N°1 con precalentamiento
a 200°C a 200X.
50µm
95 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW.
Figura 4.30. Micrografía en la superficie del cordón en la muestra N°1 con precalentamiento
a 200°C a 400X.
Nota: 1 µm = 0,001 mm
Muestra:
Tabla 4.7 Número de grietas y tamaño de grietas con radios R1 y R2 de ensayo con un precalentamiento a 200°C
Radios (mm) Longitud de Grietas Promedio (mm) Deformación
e (%)
40 0.424 0.407 0.443 0.425 3.97
32 0.498 0.54 0.523 0.516 4.96
Tabla 4.8 Número de grietas y tamaño de grietas con radios R1 y R2 de ensayo con un precalentamiento a 250°C
Radios (mm) Longitud de Grietas Promedio (mm) Deformación
e (%)
40 0.398 0.375 0.4015 0.362 3.97
32 0.4535 0.476 0.462 0.473 4.96
Tabla 4.9 Número de grietas y tamaño de grietas con radios R1 y R2 de ensayo con un precalentamiento a 300°C.
Radios (mm) Longitud de Grietas Promedio (mm) Deformación
e (%)
40 0.352 0.323 0.34 0.319 3.97
32 0.389 0.392 0.42 0.41 4.96
25µm
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 96
En la figura 4.31, 4.32 y 4.33 se muestran las gráficas de las
diferentes longitudes de grietas promedio (mm) en función de la deformación
e (%), de acuerdo al ensayo de varestraint con un precalentamiento del
material base a 200°C, 250°C y 300°C respectivamente; para realizar luego
su posterior evaluación.
En la figura 4.34 se muestra la gráfica comparativa de las diferentes
longitudes de grietas promedio (mm) en función de la deformación e (%) para
el ensayo de Varestraint con precalentamientos de 200°C y 300°C.
Figura 4.31. Curva de longitud de grietas promedio (mm) vs Deformación e (%) para metal
base con un precalentamiento de 200°C.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 2 4
Lo
ng
itu
d d
e g
rieta
s p
rom
ed
ios (
mm
)
Deformación e (%)
Precalentamiento a 200°C
AISI 4140
3.97 4.96
97 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW.
Figura 4.32. Curva de longitud de grietas promedio (mm) vs Deformación e (%) para metal
base con un precalentamiento de 250°C.
Figura 4.33. Curva de longitud de grietas promedio (mm) vs Deformación e (%) para metal
base con un precalentamiento de 300°C.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 2 4
Lo
ng
itu
d d
e G
rieta
s P
rom
ed
io (
mm
)
Deformación e(%)
Precalentamiento a 250°C
AISI 4140
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 2 4
Lo
ng
itu
d d
e G
rieta
s P
rom
ed
io (
mm
)
Deformación e(%)
Precalentamiento a 300°C
AISI 4140
3.97 4.96
4.96 3.97
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 98
Figura 4.34. Curva comparativa longitud de grietas promedio (mm) vs Deformación e (%)
para metal base con un precalentamiento de 200°C, 250°C y 300°C.
Con los resultados expresados en las figuras 4.31, 4.32 y 4.33, se
pueden obtener las variaciones en porcentaje de la longitud promedio de
grietas presente en cada uno de los ensayos elaborados, realizando una
comparación con los precalentamientos a 200°C, 250°C y 300°C de acuerdo
a los radios de curvatura respectivos, expresándolos en las siguientes tablas:
Tabla 4.10. Variación en la longitud promedio de grietas (ΔLPG) para los precalentamientos
de 200°C y 300°C con un radio de curvatura R1.
Radio de Curvatura R1 (mm)
Probeta N° 1 2 3 4
LPG(mm) Temp = 200°C 0.4244 0.407 0.443 0.425
LPG(mm) Temp = 300°C 0.352 0.323 0.34 0.319
16.98 20.638 23.25 23.94
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 2 4
Lon
gitu
d d
e G
rie
tas
Pro
me
dio
(m
m)
Deformación e(%)
AISI 4140
4.96 3.97
99 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW. Tabla 4.11. Variación en la longitud promedio de grietas (ΔLPG) para los precalentamientos
de 200°C y 300°C con un radio de curvatura R2.
Radio de Curvatura R2 (mm)
Probeta N° 1 2 3 4
LPG(mm) Temp = 200°C 0.498 0.54 0.523 0.516
LPG(mm) Temp = 300°C 0.389 0.392 0.42 0.41
21.887 27.407 19.694 20.543
Tabla 4.12. Variación en la longitud promedio de grietas (ΔLPG) para los precalentamientos
de 200°C y 250°C con un radio de curvatura R1.
Radio de Curvatura R1 (mm)
Probeta N° 1 2 3 4
LPG(mm) Temp = 200°C 0.4244 0.407 0.443 0.425
LPG(mm) Temp = 250°C 0.398 0.375 0.401 0.362
6.22 7.862 9.481 14.823
Tabla 4.13. Variación en la longitud promedio de grietas (ΔLPG) para los precalentamientos
de 200°C y 250°C con un radio de curvatura R2.
Radio de Curvatura R2 (mm)
Probeta N° 1 2 3 4
LPG(mm) Temp = 200°C 0.498 0.54 0.523 0.516
LPG(mm) Temp = 250°C 0.4535 0.476 0.462 0.473
8.935 11.851 13.20 8.333
Tabla 4.14. Variación en la longitud promedio de grietas (ΔLPG) para los precalentamientos
de 250°C y 300°C con un radio de curvatura R1.
Radio de Curvatura R1 (mm)
Probeta N° 1 2 3 4
LPG(mm) Temp = 250°C 0.398 0.375 0.401 0.362
LPG(mm) Temp = 300°C 0.352 0.323 0.34 0.319
11.55 16.10 15.21 11.87
Capitulo 4. Análisis de Resultado. 100
Tabla 4.15. Variación en la longitud promedio de grietas (ΔLPG) para los precalentamientos
de 250°C y 300°C con un radio de curvatura R2.
Radio de Curvatura R2 (mm)
Probeta N° 1 2 3 4
LPG(mm) Temp = 250°C 0.4535 0.476 0.462 0.473
LPG(mm) Temp = 300°C 0.389 0.392 0.42 0.41
14.22 17.65 9.11 13.32
4.12 Análisis del Ensayo de Varestraint.
En las figuras 4.30, 4.31 y 4.32 se observa que la longitud promedio
de grietas para el ensayo realizado con los distintos radios de curvatura y
precalentamientos y realizando la soldadura con el material AWS E308-L no
superan un (1) milímetro de longitud, específicamente influenciado por las
características del material de aporte, con una composición química 18 % de
Cromo y 8 % de Níquel (18Cr-8Ni), el níquel es el principal componente en
afectar el desarrollo de la ferrita en la microestructura, por ende tener un
material con menor sensibilidad al agrietamiento y mejores propiedades para
su trabajo en caliente.
En la figura 4.33 se evidencia que al aumentar la temperatura de
precalentamiento y mantener constante la intensidad en 100 A utilizando el
electrodo AWS E308-L, se evidencia la disminución de la longitud de grietas
en el cordón de soldadura en referencia a el precalentamiento a 200°C y
250°C, esto se cumple para las deformaciones (e) ensayadas.
Se obtiene de acuerdo a la tabla 4.10 y 4.11 una reducción de longitud
promedio de grieta de un 21,202 % y 22.382 %, al aumentar la temperatura
de precalentamiento con una variación de temperatura de 100°C; es decir el
aumento de la temperatura de precalentamiento es proporcional al aumento
del efecto sobre la sensibilidad al agrietamiento de manera positiva.
101 Efecto de la temperatura de precalentamiento sobre la formación de grietas en el cordón de
soldadura y sobre la microestructura en juntas soldadas de acero al molibdeno AISI 4140, utilizando el proceso de GMAW. De acuerdo a lo anterior para las tablas 4.12 y 4.13 se tiene un
gradiente de temperatura de 50°C, obteniendo una reducción de área con un
valor de 9.60 % y 10.58 % correspondientemente, esto infiere que a medida
que el gradiente de temperatura de comparación sea menor, la reducción de
área también será menor.
Por consiguiente para las tablas 4.14 y 4.15 de igual forma tenemos
un gradiente de temperatura de 50°C, consiguiendo una reducción de área
con valor de 13.68 % y 13.57 % respectivamente, se deriva que al tener una
diferencia baja entre las temperaturas de precalentamientos se obtiene una
reducción de área baja, pero apoyado con los datos anteriores se consta que
al aumentar las temperaturas de precalentamiento y sin importar que la
diferencias entre estas temperaturas sea baja, la reducción de área va
aumentar de forma progresiva al igual que aumenten estas temperaturas.
Se entiende que a medida que el radio de curvatura sea menor o en
su defecto la deformación (e) aumente, se obtendrá un valor mayor de
longitud de grieta promedio, debido a que se aplica mayor esfuerzo al cordón
de soldadura por la poca área de acción del radio de curvatura.
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